未知洋流干扰下基于单领航者的多自主水下航行器协同导航

第３２卷第３期

２０１

兵工学报

Ｖ０１．３２Ｍａｒ．

Ｎｏ．３２０１１

１年３月ＡＣＴＡＡＲＭＡＭＥＮＴＡＲＩＩ

未知洋流干扰下基于单领航者的多自主

水下航行器协同导航

李闻白，刘明雍，雷小康，裴襞

（西北工业大学航海学院，陕西西安７１００７２）

摘要：洋流估计问题是多自主水下航行器（ＡＵＶ）协同导航方法中的难点之一。针对未知洋流情况，给出了１种基干单领航者的多ＡＵＶ协同导航方法。通过设计主、从ＡＵＶ间的机动轨迹，将从ＡＵＶ的初始定位以及洋流干扰、测速误差的初始估计问题转化为非线性极小平方优化模型求解，提高了初始化精度；并进一步将洋流干扰等作为状态变量参与协同导航过程中的滤波，得到了对从ＡＵＶ定位和洋流干扰的实时估计。仿真实例表明，该算法实现了对未知洋流的在线估计，具有良好的收敛性和定位精度。

关键词：海洋工程；洋流；自主水下航行器；协同导航；初始定位；Ｋａｌｍａｎ滤波中图分类号：ＴＰ２４２．３

文献标志码：Ａ

文章编号：１０００．１０９３（２０１１）０３－０２９２－０６

ＣｏｏｐｅｒａｔｉｖｅＮａｖｉｇａｔｉｏｎｆｏｒＭｕｌｔｉｐｌｅＡｕｔｏｎｏｍｏｕｓ

ＵｎｄｅｒｗａｔｅｒＶｅｈｉｃｌｅｓ

ｗｉｔｈＳｉｎｇｌｅＬｅａｄｅｒｉｎＵｎｋｎｏｗｎＯｃｅａｎＣｕｒｒｅｎｔ

ＬＩＷｅｎ—ｂａｉ，ＬＩＵＭｉｎｇ—ｙｏｎｇ，ＬＥＩＸｉａｏ－ｋａｎｇ，ＰＥＩＸｕａｎ

（ＳｃｈｏｏｌｏｆＭａｒｉｎｅＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＮｏｒｔｈｗｅｓｔｅｍＰｏｌｙｔｅｃｈｎｉｃａｌＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｘｉ’ａｎ７１００７２，Ｓｈａａｎｘｉ，Ｃｈｉｎａ）

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｏｃｅａｎ

ｃｕｒｒｅｎｔ

ｅｓｔｉｍａｔｉｏｎｉｓ

ｏｎｅ

ｏｆｔｈｅｍａｊｏｒｄｉｆｆｉｃｕｌｔｉｅｓ

ａｔ

ｔｏ

ｔｈｅｃｏｏｐｅｒａｔｉｖｅｎａｖｉｇａｔｉｏｎｆｏｒｍｕｌｔｉ－

ｃｕｒｒｅｎｔ，ａ

ｐｉｅａｕｔｏｎｏｍｏｕｓｕｎｄｅｒｗａｔｅｒｖｅｈｉｃｌｅｓ（ＡＵＶｓ）．ＡｉｍｉｎｇｍｕｌｔｉｐｌｅＡＵＶｓｂａｓｅｄ

ｔｗｅｅｎｔｉｏｎ

ｏｎ

ｔｈｅｕｎｋｎｏｗｎ

ｎａｖｉｇａｔｉｏｎ

ｍｅｔｈｏｄｆｏｒ

ｓｉｎｇｌｅｌｅａｄｅｒｖｅｈｉｃｌｅｉｓｐｒｅｓｅｎｔｅｄ．Ｂｙｄｅｓｉｇｎｉｎｇｔｈｅｒｅｌａｔｉｖｅｍｏｔｉｏｎｔｒａｊｅｃｔｏｒｙｂｅ—

ｔｈｅｌｅａｄｅｒａｎｄｔｈｅｆｏｌｌｏｗｅｒｖｅｈｉｃｌｅｓ，ｔｈｅｉｎｉｔｉａｌｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇｏｆｔｈｅｆｌｏｗｅｒｖｅｈｉｃｌｅ，ｔｈｅｉｎｉｔｉａｌｅｓｔｉｍａ—

ｃｕｒｒｅｎｔ

ｏｆｔｈｅ

ａｎｄｓｐｅｅｄ

ｅｒｒｏｒａｒｅ

ｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｄｉｎｔｏ

ｓｏｌｖｉｎｇ

ａ

ｎｏｎ—ｌｉｎｅａｒｌｅａｓｔｓｑｕａｒｅｓｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ

ｃｕｒｒｅｎｔ

ｐｒｏｂｌｅｍ，ｗｈｉｃｈｅｆｆｅｃｔｉｖｅｌｙｉｍｐｒｏｖｅｓｔｈｅｉｎｉｔｉａｌｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇａｃｃｕｒａｃｙ．Ｆｕｒｔｈｅｒｍｏｒｅ，ｔｈｅ

ａｎｔｅ

ｄｉｓｔｕｒｂ—

ｔｏ

ｉｓｔｈｅ

ｃｏｎｓｉｄｅｒｅｄ

ａｓｓｔａｔｅ

ｖａｒｉａｂｌｅｓ

ｔｏ

ｐａｒｔｉｃｉｐａｔｅ

ｃｕｒｒｅｎｔ

ｔｈｅｆｉｌｔｅｒｉｎｇｐｒｏｃｅｓｓｏｆｔｈｅｃｏｏｐｅｒａｔｉｖｅｎａｖｉｇａｔｉｏｎ

ｏｂ—

ｔａｉｎ

ｒｅａｌ—ｔｉｍｅｅｓｔｉｍａｔｉｏｎｏｆｔｈｅ

ｏｃｅａｎ

ａｎｄｔｈｅｆｏｌｌｏｗｅｒｖｅｈｉｃｌｅ’Ｓｐｏｓｉｔｉｏｎ．Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｒｅｓｕｌｔｓ

ｏｆｔｈｅｕｎｋｎｏｗｎ

ｃｕｒｒｅｎｔ

ｓｈｏｗｔｈａｔｔｈｉｓｎａｖｉｇａｔｉｏｎｍｅｔｈｏｄｒｅａｌｉｚｅｓｔｈｅｏｎｌｉｎｅｅｓｔｉｍａｔｉｏｎ

ｃｏｎｖｅｒｇｅｎｃｅ

ａｎｄｏｆｆｅｒｓｇｏｏｄ

ａｎｄｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇａｃｃｕｒａｃｙ．

Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｏｃｅａｎｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ；ｏｃｅａｎｃｕｒｒｅｎｔ；ａｕｔｏｎｏｍｏｕｓｕｎｄｅｒｗａｔｅｒｖｅｈｉｃｌｅ；ｃｏｏｐｅｒａｔｉｖｅｎａｖｉｇａｔｉｏｎ；ｉｎｉｔｉａｌｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ；Ｋａｌｍａｎｆｉｌｔｅｒ

洋流问题是多自主水下航行器（ＡＵＶ）协同导航中的难点。海洋普遍存在不可预知的洋流，其方向和大小是随时间变化的。当洋流作用于ＡＵＶ编队时，会导致ＡＵＶ运动轨迹的漂移，造成主ＡＵＶ自身的定位误差以及主、从ＡＵＶ问的测距误差，并伴

收稿日期：２０１０一ｌＯ—０９

随着误差累积最终导致定位算法失效。与固定信标导航方式不同，由于缺少静止的定位参考点，无法直接衡量ＡＵＶ受洋流影响而产生的漂移，洋流干扰成为基于单领航者协同导航方法中的重要误差来

源‘１。３３。

基金项目：国家自然基金资助（５０９７９０９３）；国家“８６３”基金资助（２００７ＡＡ８０９５０２Ｃ）作者简介：李闻白（１９８３一），男，博士研究生。Ｅ—ｍａｉｌ：ｌｉｗｅｎｂａｉ＠１６３．ｅｏｍ：

刘明雍（１９７１一），男，教授，博上生导师。Ｅ—ｍａｉｌ：ｌｉｕｍｉｎｇｙｏｎｇ＠ｎｗｐｕ．ｅｄｕ．ｃｎ

万方数据

第３期未知洋流干扰下基于单领航者的多自主水下航行器协同导航

２９３

近几年，国外普遍开展了有关多ＡＵＶ协同导航的研究工作，取得了一些有意义成果：法国的Ｐ．Ｂａｃｅｏｕ＆Ｂ．Ｊｏｕｖｅｎｃｅｌ团队针对“未知定常”的洋流干扰，研究ｒｒ基于单固定信标的多ＡＵＶ协同导航和路径跟踪问题，运用扩展的Ｋａｌｍａｎ滤波方法（ＥＫＦ）建立了洋流误差估计＂。１；弗吉尼亚大学的Ａ

Ｇａｄｒｅ＆

Ｄ

Ｓｔｉｌｗｅｌｌ团队研究了协同导航中“已知定常”和“未知定常”２种特性的洋流可观测性问题扣。１…。本文针对更一般的洋流模型，研究方向随机变

化的“未知时变”洋流干扰下的多ＡＵＶ协同导航方法，并实现对未知洋流的实时估计。该方法首先通过主、从ＡＵＶ的相对运动获得从ＡＵＶ的自身位置和洋流干扰的初始估计，在此基础上建立主、从ＡＵＶ间的协同导航滤波模型，利用扩展的Ｋａｌｍａｎ滤波算法解算得到从ＡＵＶ的位置和洋流干扰的实时估计。

１协同导航的初始化

１．１定义和符号约定

以主ＡＵＶ（Ｌｅａｄｅｒ）初始时刻所在的位置建立直角坐标系（戈。，Ｙ．，ｚ．），其中算。、Ｙ．分别指向正北、正东，ｚ，垂直海平面向下。ＡＵＶ的深度值町以通过传感器精确测量，因而可将３维空间中的定位问题转化至２维平面。

此外，主ＡＵＶ和从ＡＵＶ（Ｆｏｌｌｏｗｅｒ）均可通过各自的测速传感器测量其航速Ｍ，差别在于从ＡＵＶ配备的测速传感器精度较低，存在测速误差“。．进一步，记０、妒分别表示ＡＵＶ的俯仰角和航向角，用（秽。秽。。）表示洋流的北向分量和东向分量。１．２数学模型

本文设计从ＡＵＶ沿图１所示路径（由２个半圆组成）相对主ＡＵＶ机动，以增大初始定位阶 …… 此处隐藏：8555字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……